CN109738974A - 一种基于铷谱灯的自由曲面聚焦透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于铷谱灯的自由曲面聚焦透镜，可广泛用于基于铷谱灯的原子光频标领域，如原子钟、原子磁力仪、原子陀螺仪等系统的光路中；通过半球面接收铷谱灯光线，一个自由曲面对入射的边缘光线进行全反射进入到光电探测器，另一个自由曲面对入射的中心光线进行折射，使其聚焦到光电探测器，不仅可以将铷谱灯中心光线实现聚焦，也可以利用全反射原理聚焦铷谱灯发出的边缘光线，进而提高铷谱灯参与原子作用的有效光能，经试验证明可以将探测器上所接收到的光能提高8倍以上。

Description

一种基于铷谱灯的自由曲面聚焦透镜

技术领域

本发明属于原子光频标技术领域，具体涉及一种用于铷谱灯的自由曲面聚焦透镜。

背景技术

由于铷谱灯的发光形式不具有激光的准直性，而是一种与铷谱灯外形有关的发散式发光形式。在现有基于铷谱灯原子光频标系统中，在不应用光学聚焦装置的情况下，探测器能够探测到的有效光能量仅为铷谱灯总能量的10^-3这一量级。目前已有的聚光方法是在铷谱灯与探测器之间加入单片正透镜，透镜的焦距恰好位于铷灯的中心位置，进而实现对铷谱灯发出的中心光线的会聚效果。然而单片正透镜由于口径以及作用距离的限制，无法对铷谱灯发散角较大的边缘光线进行会聚，因而效果有限。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于铷谱灯的自由曲面聚焦透镜，可以在保证铷谱灯中心光束实现聚焦同时，也能够会聚铷灯发出的边缘光线，从而大幅提高探测器上所接收到的光能。

一种用于铷谱灯的自由曲面聚焦透镜，包括内凹的半球面AA′、自由曲面AB、平面BC、平面CD，自由曲面DD′、平面D′C′、平面C′B′以及自由曲面A′B′；其中，半球面AA′的球心O与铷谱灯(1)的中心重合，过光心O的光轴分别过半球面AA′的顶点F以及自由曲面DD′的顶点E；自由曲面AB与自由曲面A′B′之间、平面BC与平面C′B′之间、平面CD与平面D′C′之间均相对于光轴对称；平面BC垂直于光轴，平面CD平行于光轴；四分之一球面AF的顶点设为点P；四分之一球面A′F的顶点设为点P′；自由曲面AB用于接收从面AP透射进入的铷谱灯(1)光线，并对其进行全反射，并经平面BC进入到光电探测器(4)的接收面；面DE用于接收从面PF透射进入的铷谱灯(1)光线，并将其折射到光电探测器(4)的接收面；自由曲面A′B′用于接收从面A′P′透射进入的铷谱灯(1)的光线，并对其进行全反射，并经平面C′B′反射到光电探测器(4)的接收面；面D′E用于接收从面P′F透射进入的铷谱灯(1)光线，并将其折射到光电探测器(4)的接收面。

较佳的，自由曲面AB的面型方程为：

f(x)＝3.09×10^-5x⁴-6.05×10^-3x³-0.14x²+2.93×10^-8x³+14.76。

较佳的，自由曲面DE的面型方程为：

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种基于铷谱灯的自由曲面聚焦透镜，可广泛用于基于铷谱灯的原子光频标领域，如原子钟、原子磁力仪、原子陀螺仪等系统的光路中；通过半球面接收铷谱灯光线，一个自由曲面对入射的边缘光线进行全反射进入到光电探测器，另一个自由曲面对入射的中心光线进行折射，使其聚焦到光电探测器，不仅可以将铷谱灯中心光线实现聚焦，也可以利用全反射原理聚焦铷谱灯发出的边缘光线，进而提高铷谱灯参与原子作用的有效光能，经试验证明可以将探测器上所接收到的光能提高8倍以上。

附图说明

图1为系统光路图；

图2为聚焦透镜结构图；

图3为未加聚焦透镜时系统的模拟分析图；

图4为加入单正透镜优化后系统的模拟分析图；

图5为加入本发明的聚焦透镜优化后系统的模拟分析图图中；

其中，1-铷谱灯，2-聚焦透镜，3-光阑，4-光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，铷谱灯1放置于聚焦透镜2的球心O处。该系统中的光阑3位于铷谱灯1后50mm，通光孔直径φ14mm；光电探测器4位于铷谱灯1后90mm，尺寸10mm*10mm。从铷谱灯1发出的光经过聚焦透镜2后，最终能够入射到光电探测器4上。本系统中，不需要将光线会聚至光电探测器4的中心位置，只要能够入射到光电探测器4的接收面即可，因而我们通过光线从聚焦透镜2出射后的光线角度进行优化控制。估算中心光线的最大出射角度约为arctan(7/90)、即4度左右，边缘光线的最大出射角度约为arctan(16/90)、即10度左右。

本发明的聚焦透镜2的结构如图2所示，包括内凹的半球面AA′、自由曲面AB、平面BC、平面CD，自由曲面DD′、平面D′C′、平面C′B′以及自由曲面A′B′；其中，半球面AA′的球心O与铷谱灯1的中心重合，过光心O的光轴分别过半球面AA′的顶点F以及自由曲面DD′的顶点E；自由曲面AB与自由曲面A′B′之间、平面BC与平面C′B′之间、平面CD与平面D′C′之间均相对于光轴对称。平面BC垂直于光轴，平面CD平行于光轴；四分之一球面AF的顶点设为点P；自由曲面AB用于接收从面AP透射进入的铷谱灯1光线(称为边缘光线)，并对其进行全反射，最后经平面BC到光电探测器4的接收面；面DE用于接收从面PF透射进入的铷谱灯1光线(称为中心光线)，并将其折射到光电探测器4的接收面；自由曲面A′B′用于接收从面A′P′透射进入的铷谱灯1光线，并对其进行全反射，最后经平面C′B′进入到光电探测器4的接收面；面D′E用于接收从面P′F透射进入的铷谱灯1光线，并将其折射到光电探测器4的接收面。

当O点发出的光经过球面PF时，例如图中2中光线OH，根据折射定律可有：

n₂×sinθ₂＝n₁×sinθ₁ (1)

通过控制条件设定出射光线与光轴的夹角θ4＜4°，进而使得中心光线折射后入射到探测器10mm*10mm的探测范围内。当O点发出的光经过球面AP时，例如图2中光线OG，根据全反射定律可有：

θ₃≥arctan(n₂/n₁) (2)

通过控制条件在发生全反射的前提下，设定出射光线与光轴的夹角θ5＜10°，进而使得边缘光线反射后入射到探测器10mm*10mm的探测范围内，由此我们可以初步计算自由曲面的AB、DE的面型。

采用传统的Matlab建模和光学模拟相结合的方式对自由曲面的AB和DE进行参数优化。首先将步骤二中得到的自由曲面初始面型结构在Matlab中建模，并利用4次多项式进行面型拟合，4次多项式表示为；

f(x)＝ax⁴+bx³+cx²+dx+e

其中a、b、c、d、e为拟合参数。

然后在Tracepro软件中的Interactive Optimizer模块下建立该4次多项式模型，并在目标靶面设立光强优化目标，随后逐一优化变量a、b、c、d、e。

为提高优化效果，优化过程中先单独优化某一参量，确定对最终结果影响较大的参量；然后固定其余影响较弱的变量，进而联合优化影响较大的参量。最终将靶面的光强优化理想状态，确定变量a、b、c、d、e具体的值，最终确定自由曲面结构参数。

自由曲面AB：

f(x)＝3.09×10^-5x⁴-6.05×10^-3x³-0.14x²+2.93×10^-8x³+14.76

自由曲面DD′：

由于铷谱灯1有多种外形结构，不同的外形结构均对应不同的发光形式。这里我们以半球面作为铷谱灯1的发光面，尺寸为φ10mm，发光形式为朗博体进行光线追迹模拟，单次追迹100000条光线，对应光功率为1W。

(1)未加聚光透镜的效果：

当系统中无任何聚光装置时，系统只包括光源，光阑和探测器，由于光线过多，只显示10000条光线中能够入射到探测器的模拟结果。图3为探测器上的照度分布，由图可知，探测器上一共接收到257条光线，即2.5mW能量，能量利用率为0.25％。

(2)传统单正透镜优化的效果

为了对比单正透镜优化的效果，我们采用一种平凸透镜进行聚焦设计模拟，料拟采用schott玻璃库内的k7玻璃，对应795nm的折射率n为1.505，透镜焦距近似等于25mm放置于铷谱灯中心处，进行光线追迹模拟。图4为探测器上的照度分布，由图可知，探测器上一共接收到1224条光线，对应能量为9.5mW，即将探测器入射光强提高3.8倍。

(3)自由曲面聚焦透镜的优化效果

图5为光线在自由曲面聚焦透镜内光线追迹的结果，可见由光源发出的光线经过自由曲面透镜均向光轴方向会聚。这种方法保证中心光聚焦的同时，也兼顾了边缘光线的会聚。探测器上一共接收到2434条光线，对应能量为20.5mW，即将探测器入射光强提高8.2倍。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于铷谱灯的自由曲面聚焦透镜，其特征在于，包括内凹的半球面AA′、自由曲面AB、平面BC、平面CD，自由曲面DD′、平面D′C′、平面C′B′以及自由曲面A′B′；其中，半球面AA′的球心O与铷谱灯(1)的中心重合，过光心O的光轴分别过半球面AA′的顶点F以及自由曲面DD′的顶点E；自由曲面AB与自由曲面A′B′之间、平面BC与平面C′B′之间、平面CD与平面D′C′之间均相对于光轴对称；平面BC垂直于光轴，平面CD平行于光轴；四分之一球面AF的顶点设为点P；四分之一球面A′F的顶点设为点P′；自由曲面AB用于接收从面AP透射进入的铷谱灯(1)光线，并对其进行全反射，并经平面BC进入到光电探测器(4)的接收面；面DE用于接收从面PF透射进入的铷谱灯(1)光线，并将其折射到光电探测器(4)的接收面；自由曲面A′B′用于接收从面A′P′透射进入的铷谱灯(1)的光线，并对其进行全反射，并经平面C′B′反射到光电探测器(4)的接收面；面D′E用于接收从面P′F透射进入的铷谱灯(1)光线，并将其折射到光电探测器(4)的接收面。

2.如权利要求1所述的一种用于铷谱灯的自由曲面聚焦透镜，其特征在于，自由曲面AB的面型方程为：

f(x)＝3.09×10^-5x⁴-6.05×10^-3x³-0.14x²+2.93×10^-8x³+14.76。

3.如权利要求2所述的一种用于铷谱灯的自由曲面聚焦透镜，其特征在于，自由曲面DE的面型方程为：